大型數字式六自由度運動平臺的開發(fā)設計【六自由度并聯機械手運動平臺機構】
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大型數字式六自由度運動平臺的開發(fā)楊世祥!, 楊濤!, 徐悅桐#$% &%()*+%,- ). -$% &/0/-1( 2/34&56 2-%718- 9(1-.)8+:1,0 2$/43/1,0!, :1,0 #1)!, ; : 號鵬潤 ? 文苑 座 ABC!BBBDE電話:(B!B) CFFF!ACC)中圖分類號: #9GF文獻標識碼: 文章編號: !BBB4ED (BBF) B4BBEC4B!概述六自由度運動平臺, 由于有極為廣闊的應用前景,近幾年, 引起了國內外科研、 院校廣泛的研究興趣。六自由度運動平臺是由 C 只液壓缸, 上、 下各 C 只萬向鉸鏈和上、 下 個平臺組成。下平臺固定在基礎上, 借助C 只液壓缸的伸縮運動, 完成上平臺在空間 C 個自由度 (!、 、 #!、#) 的運動, 從而可以模擬出各種空間運動姿態(tài), 可廣泛應用到各種訓練模擬器, 如飛行模擬器、 艦艇模擬器、 海軍直升機起降模擬平臺、 坦克模擬器、 汽車駕駛模擬器、 火車駕駛模擬器、 地震模擬器, 以及動感電影、 娛樂設備等領域, 甚至可用到空間宇宙飛船的對接, 空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制成六軸聯動機床、 靈巧機器人等。由于六自由度運動平臺的研制涉及機械、 液壓、 電氣、 控制、 計算機、 傳感器, 空間運動數學模型、 實時信號傳輸處理、 圖形顯示、動態(tài)仿真等一系列高科技領域, 因而六自由度運動平臺的研制變成了高等院校、 研究院所在液壓和控制領域中水平的標志性象征。國外某大型液壓公司的總部大廳里, 向客人展示水平的第一個標志就是六自由度運動平臺, 筆者認為, 六自由度運動平臺是液壓及控制技術領域的皇冠級產品, 掌握了它, 在液壓和控制領域, 基本上就沒有了難題。以下介紹它的開發(fā)過程。傳統(tǒng)的伺服液壓控制六自由度運動平臺到目前為止, 世界上所有國家和研制單位, 大型平臺都無一例外地采用了液壓伺服控制系統(tǒng)。國內以幾所名牌大學的研究水平較高, 其控制原理基本相同, 六自由度平臺單缸控制框圖如圖 ! 所示。從圖中可看出, 主控計算機是完成空間狀態(tài)的實時解算, 然后將解算結果送到 C 個單缸控制器, 經數H模轉換后送給伺服放大器、 伺服閥、 伺服缸推動平臺運動。伺服缸的位移和壓力通過 只傳感器并經模H數轉換后送給計算機, 完成閉環(huán)控制。該伺服系統(tǒng)最大的難點是傳遞環(huán)節(jié)多、 控制過于復雜、 調試困難、 可靠性差、 伺服閥抗干擾、 抗污染能力弱、 故障率高, 因而國內盡管許多單位進行了研制, 但大面積推廣的卻始終不多。#六自由度平臺控制的空間狀態(tài)解算(!)順解 (順向解) : 即己知 C 只液壓缸的長度, 求解平臺姿態(tài), 到目前為止, 還沒有直接中的正解方程式, 只能采用疊代方法, 利用計算機快速運算的特點和收稿日期: BBF4BD4E作者簡介: 楊世祥 (!AF) , 男, 重慶人, 教授級高工, 主要從!事數字液壓技術的開發(fā)研究和推廣應用工作。開啟壓力; 二是降低系統(tǒng)的壓力并減小系統(tǒng)的流量。由于充液閥的預卸荷閥很小, 改造的余地不大, 所以選擇第二種方案。為了降低系統(tǒng)的壓力, 在充液閥的控制油路中安裝了一個節(jié)流閥, 通過調整節(jié)流閥來降低壓力, 實踐證明, 這種方法是可行有效的。$結論在對壓裝機液壓系統(tǒng)的設計缺陷與故障現象進行分析的基礎上, 對壓裝機液壓系統(tǒng)進行了工業(yè)自動化改造, 降低了能耗并縮短了工作周期。而且, 還針對調試中出現的問題和故障, 通過系統(tǒng)與元件的原理分析,找出了發(fā)生故障的原因, 并加以解決, 實踐證明改造是很成功的。參考文獻:! 雷天覺I新編液壓工程手冊 J I北京: 北京理工大學出版社, !AAI 張齊生, 王智勇, 等I充液閥水平安裝時的故障分析及排除 K I液壓與氣動, BB (G) I CE液壓與氣動BBF 年第 期萬方數據圖 !平臺單缸控制方框圖上鉸鏈的結構條件約束來逼近求解平臺姿態(tài)。此為順解。(!)反解 (逆向解) : 描述一個剛體在空間旋轉的姿勢, 最常使用的方法是定義 個歐拉角來表達, 當剛體旋轉至某一姿勢下, 此 個歐拉角即組成唯一的旋轉矩陣, 并借由旋轉矩陣做坐標轉換, 便可求得剛體的絕對位置。六自由度的速度協(xié)聯控制當給定空間狀態(tài)后, 可以分別算出 # 只缸的不同長度, 為了讓平臺上的液壓缸在同一時間運動到新的位置, # 只缸的運動速度是不相同的, 這個問題的解決有兩種方法: 一是采用標準的協(xié)聯控制器, 該控制器需將液壓缸的運動長度數值送入, 控制器能按所要求的時間, 自動分配 # 只缸的運動速度, 同時到達終點; 第二種方法是自己編制運動速度方程, 采用長度的最小公倍數方法分配速度, 也可達到同樣目的。#六自由度平臺的全數字控制為了攻克六自由度運動平臺的應用難關, 北京億美博科技有限公司采用了自行開發(fā)的性能先進、 操作可靠的新型數字液壓缸 (已納入 “十五” 攻關和國家重點新產品項目) , 作為 # 只控制缸。該數字缸取消了傳統(tǒng)控制中的伺服閥、 傳感器、 $%& 轉換和 &%$ 轉換等諸多環(huán)節(jié), 它是將傳感器、 數字閥等全部做到液壓缸內部, 形成自動位置反饋和速度反饋。數字缸可以直接接受計算機發(fā)出的數字脈沖信號進行可靠的工作。脈沖頻率代表數字缸運動速度, 脈沖總數代表數字缸運動行程, 一一對應, 將復雜的閉環(huán)控制變成了簡單的開環(huán)控制。我們與某軍事院校合作, 聯合開發(fā)了載重量 噸和 ( 噸的數字式六自由度運動平臺, 它的控制框圖和實際平臺圖照片見圖 )* 和圖 !。比較圖 )+ 和圖 )* 可知, 控制原理大大簡化, 不但系統(tǒng)響應速度加快, 而且故障率也大為降低, 可靠性得圖 $實際平臺以提高。整個六自由度運動平臺無任何液壓控制元件和傳感器, 系統(tǒng)構成十分簡單。平臺運動的錄像可在,-+./.0.1-12/%345 網站觀看。它的性能指標如表 )所示。表 !性能指標自由度位移 (聯合運動) 位移 (單自由度)速度加速度俯仰6 7 8.96 : 8.96 !: 8.9%3 6 7: 8.9%3!滾轉6 : 8.96 7 8.96 ! 8.9%3 6 ): 8.9%3!升降6 :-#: /6 :-#: /6 :-: /%3; )-:!橫向移動6 :-7 /6 :- /6 :-# /%3; :-#!縱向擺動6 :-# /6 :- /6 :-# /%3; :-#!%數字液壓技術在其他領域的成功應用數字液壓技術的出現為液壓技術增添了新的活力, 數字液壓缸與專門配套研制的數字控制器相配合,幾乎取消了傳統(tǒng)液壓控制中的所有液壓閥件和控制元件, 它拋棄了傳統(tǒng)的閥口控制, 而是直接采用數字脈沖控制, 把現場調試搬到了辦公室, 幾乎做到了即裝即用, 已經成功地應用到冶金、 機械、 水電、 國防軍工等一系列疑難控制領域, 其可控性能遠遠超過傳統(tǒng)的液壓控制技術, 成功應用的實例有: 冶金領域中的鋼水連鑄結晶器液面控制、 結晶器液壓非正弦振動 (均列入過國家攻關項目) , 帶鋼厚度控制 (微米級精度) ; 水電領域中的水輪機調速控制; 機械領域的大型無齒鋸多點速度控制和位置控制; 軍工領域的大型導彈裝彈機構的多缸同步控制 (任意多缸同步誤差可達 :!: 年第 ( 期液壓與氣動萬方數據大型數字式六自由度運動平臺的開發(fā)大型數字式六自由度運動平臺的開發(fā)作者:楊世祥, 楊濤, 徐悅桐作者單位:北京億美博科技有限公司,北京菜戶營東街甲88號鵬潤-文苑B座2906,100054刊名:液壓與氣動英文刊名:CHINESE HYDRAULICS & PNEUMATICS年,卷(期):2003(8)被引用次數:5次 本文讀者也讀過(7條)本文讀者也讀過(7條)1. 姜文剛.尚婕.李建華.鄧志良.汪電明.Jiang Wengang.Shang Jie.Li Jianhua.Deng Zhiliang.Wang Dianming 三自由度動感電影系統(tǒng)研制期刊論文-電氣自動化2006,28(1)2. 汪漢生 六自由度平臺設計及控制方法研究學位論文20083. 李峰 自行車仿真器中力反饋技術的研究與實現學位論文20074. 許世林 動感環(huán)幕電影控制系統(tǒng)研究與設計學位論文20045. 甘紅勝.殷躍紅.劉偉偉.印松 虛擬環(huán)境中六維動感平臺控制系統(tǒng)的設計期刊論文-機電工程2003,20(4)6. 高峰 六自由度運動平臺伺服系統(tǒng)研究學位論文20047. 張代義 艦船運動模擬器技術研究學位論文2005 引證文獻(5條)引證文獻(5條)1.肖志權.邢繼峰.彭利坤.朱石堅 數字式6-DOF運動平臺運動不平穩(wěn)現象分析期刊論文-機床與液壓 2006(8)2.袁鴻.盛英.蘇勛家.仇原鷹 電液伺服Stewart平臺激振系統(tǒng)仿真研究期刊論文-機床與液壓 2009(2)3.林礪宗.潘大亨.傅招國.倪小鵬 基于ADAMS的六自由度液壓動感平臺建模及運動學仿真期刊論文-機床與液壓2012(13)4.楊啟志.莊佳奇.尹小琴.謝俊.朱小兵.訾鵬飛 一種三自由度全柔性并聯微動激振臺的設計期刊論文-機械設計與研究2011(4)5.郭宏偉 三自由度重型搖擺試驗臺的設計與研究學位論文碩士 2005 本文鏈接:http:/
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